Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике   ElectricalSchool.info - большой образовательный проект на тему электричества и его использования. С помощью нашего сайта вы не только поймете, но и полюбите электротехнику и электронику!
Электрические и магнитные явления в природе, науке и технике. Современная электроэнергетика, устройство электрических приборов, аппаратов и установок, промышленное электрооборудование и системы электроснабжения, электрический привод, технологии автоматизации и многое другое.
Чтобы не тратить каждый раз свое время на поиски добавляйте наш сайт в закладки и подписывайтесь на наши странички в соцсетях!
 


 

 Школа для электрика / Автоматизация производственных процессов / Датчики и измерительные приборы для определения состава и свойств веществ


 

Датчики и измерительные приборы для определения состава и свойств веществ



Основным признаком классификации приборов контроля и средств автоматизации является роль, которую они играют в системах автоматического регулирования и управления по отношению к потоку информации.

Задачами технических средств автоматизации вообще являются:

  • получение первичной информации;

  • ее преобразование;

  • ее передача;

  • обработка и сравнение полученной информации с программой;

  • формирование командной (управляющей) информации;

  • передача командной (управляющей) информации;

  • использование командной информации для управления процессом.

Датчики свойств и состава веществ играют головную роль в системе автоматического регулирования, они служат для получения первичной информации и в большой степени определяют качество работы всей системы автоматического регулирования.

Химическое производство

Установим некоторые основные понятия. Что такое измерение, свойства, состав среды? Свойства среды определяются численными значениями одной или нескольких физических или физико-химических величин, поддающихся измерению.

Измерение есть процесс выявления путем эксперимента количественного соотношения определенной физической или физико-химической величины, характеризующей свойства испытуемой среды и соответствующей величины среды эталона. Под экспериментом понимается объективный процесс активного воздействия на испытуемую среду, производимого при помощи материальных средств в фиксированных условиях.

Состав среды, т. е. качественное и количественное содержание составляющих ее компонентов, может быть определен по известной зависимости его от физических или физико-химических свойств среды и величин, их характеризующих, поддающихся измерению.

Как правило, свойства и состав среды определяются косвенным путем. Измеряя различные физические или физико-химические величины, характеризующие свойства среды, и зная математическую зависимость между этими величинами, с одной стороны, и составом среды, с другой, мы имеем возможность с большей или меньшей степенью точности судить о ее составе.

Иными словами, для того чтобы выбрать или построить измерительный прибор, допустим, для определения полного состава многокомпонентной среды, необходимо, во-первых, установить, какими физическими или физико-химическими величинами характеризуются свойства этой среды, и, во-вторых, найти зависимости вида

ki = f (C1, С2, ... Сm),

где ki  - концентрация каждого из компонента среды, C1, С2, ... Сm - физические или физико-химические величины, характеризующие свойства среды.

Соответственно прибор, служащий для контроля состава среды, может быть отградуирован в единицах концентрации определенного компонента или свойств среды, если между ними в каких-то пределах имеется однозначная зависимость.

Приборы автоматического контроля физических и физико-химических свойств и состава веществ являются приборами, которые измеряют отдельные физические или физико-химические величины, однозначно определяющие свойства среды, либо ее качественный или количественный состав.

Однако опыт показывает, что для осуществления автоматического регулирования или управления достаточно изученным технологическим процессом не обязательно в каждый данный момент времени иметь полную информацию о составе промежуточных и конечных продуктов и о концентрации некоторых их компонентов. Такие сведения обычно требуются при создании, изучении и освоении процессов.

Определение состава химических веществ

Когда выработан оптимальный технологический регламент, найдены однозначные зависимости между ходом процесса и поддающимися измерению физическими и физико-химическими величинами, характеризующими свойства и состав продуктов, то можно вести процесс, отградуировав шкалу прибора непосредственно в тех величинах, которые он измеряет, например в единицах температуры, силы электрического тока, емкости и т. п., либо в единицах определяемого свойства среды, например цветности, мутности, электрической проводимости, вязкости, диэлектрической проницаемости и т. п.

Ниже рассмотрены основные методы измерения физических и физико-химических величин, определяющих свойства и состав среды. 

Существующие исторически сложившиеся товарные номенклатуры включают в себя следующие основные группы приборов:

  • газоанализаторы,

  • концентратомеры жидкостей,

  • плотномеры,

  • вискозиметры,

  • влагомеры,

  • масс-спектрометры,

  • хроматографы,

  • рН-метры,

  • солемеры,

  • сахариметры и т. д.

Эти группы в свою очередь подразделяются по методам измерения, либо по анализируемым веществам. Крайняя условность такой классификации и возможность отнесения конструктивно одинаковых приборов к различным группам затрудняют изучение, выбор и сравнение приборов.

К приборам непосредственного измерения относятся такие, в которых определяются физические или физико-химические свойства и состав непосредственно испытуемого вещества. В отличие от них в комбинированных приборах проба испытуемого вещества подвергается воздействиям, существенно изменяющим ее химический состав, либо агрегатное состояние.

Как в том, так и в другом случае возможна предварительная подготовка пробы по температуре, давлению и некоторым другим параметрам. Помимо этих двух основных классов приборов, встречаются и такие, в которых может производиться одновременно непосредственное и комбинированное измерение.

Производство пищевых продуктов

Приборы непосредственного измерения

В приборах непосредственного измерения физические и физико-химические свойства среды определяются посредством измерения следующих величин: механических, термодинамических, электрохимических, электрических и магнитных и, наконец, волновых.

К механическим величинам относятся прежде всего плотность и удельный вес среды, определяемые посредством приборов, основанных на поплавковых, весовых, гидростатических и динамических методах измерения. Сюда же относится определение вязкости среды, измеряемой различными вискозиметрами: капиллярными, ротационными, основанными на методах падающего шарика и другими.

Из термодинамических величин нашли применение тепловой эффект реакции, измеряемый термохимическими приборами, коэффициент теплопроводности, измерение которого осуществляется термокондуктометричёскими приборами, температура вспышки нефтепродуктов, упругость паров и др.

Широкое развитие для целей измерения состава и свойств жидких смесей, а также некоторых газов получили электрохимические приборы. Сюда относятся прежде всего кондуктометры и потенциометры, т. е. приборы, предназначенные для определения концентрациии солей, кислот и щелочей по изменению удельной электрической проводимости растворов. Это так называемые кондуктометрические концентратомеры, или кондуктометры контактные и бесконтактные.

Очень широкое распространение нашли рН-метры — приборы для определения кислотности среды по электродному потенциалу.

Смещение потенциала электрода в результате поляризации определяется в гальванических и деполяризационных газоанализаторах, служащих для контроля содержания кислорода и других газов, наличие которых вызывает деполяризацию электродов.

Одним из весьма перспективных является полярографический метод измерения, заключающийся в одновременном определении потенциалов выделения различных ионов на электроде и предельной плотности тока.

Измерение концентрации влаги в газах достигается посредством кулонометрического метода, при котором определяется скорость электролиза воды, адсорбированной из газа влагочувствительной пленкой.

Широкое применение находят приборы, основанные на измерении электрических и магнитных величин.

Ионизация газов с одновременным измерением их электропроводности используется для измерения малых концентраций. Ионизация может быть термическая или под воздействием различных излучений, в частности радиоактивных изотопов.

Термическая ионизация получила широкое использование в пламенно-ионизационных детекторах хроматографов. Ионизация газов альфа- и бета-лучами широко используется в детекторах хроматографов (так называемые «аргоновые» детекторы), а также в альфа- и бетаионизационных газоанализаторах, основанных на разнице в сечениях ионизации различных газов.

Испытуемый газ в этих приборах пропускается через ионизационную камеру альфа- или бета-излучения. При этом измеряется ионизационный ток в камере, характеризующий содержание компонента. Определение диэлектрической проницаемости среды служит для измерения содержания влаги и других веществ посредством различного рода емкостных влагомеров и диэлькометров.

Диэлектрическая проницаемость пленки сорбента, омываемой потоком газа, характеризующая концентрацию в нем водяных паров, используется в диэлькометрических гигрометрах.

Удельная магнитная восприимчивость дает возможность измерять концентрацию парамагнитных газов, в основном кислорода, посредством термомагнитных, магнитоэффузионных и магнитомеханических газоанализаторов.

И наконец, удельный заряд частиц, являющийся, наряду с их массой, основной характеристикой вещества, определяется посредством масс-спектрометров с времяпролетным, высокочастотным и магнитным масс-анализатором.

Измерение волновых величин — одно из наиболее перспективных направлений в приборостроении, основанное на использовании эффекта взаимодействия испытуемой среды с различного рода излучениями. Так, интенсивность поглощения средой ультразвуковых колебаний дает возможность судить о вязкости и плотности среды.

Измерение скорости распространения ультразвука в среде дает представление о концентрации отдельных компонентов или о степени полимеризации латексов и других полимерных веществ. Почти вся шкала электромагнитных колебаний, начиная от радиочастот и кончая рентгеновским и гамма-излучением, находит применение в датчиках свойств и состава веществ.

К ним относятся наиболее чувствительные аналитические приборы, измеряющие интенсивность поглощения энергии электромагнитных колебаний коротковолнового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов, основанные на электронном парамагнитном и ядерном магнитном резонансе.

Самое широкое применение имеют приборы, в которых используется взаимодействие среды со световой энергией в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовых частях спектра. Измеряются как интегральное излучение и поглощение света, так и интенсивность характеристических линий и полос спектров излучения и поглощения веществ.

Находят применение приборы, основанные на оптико-акустическом эффекте, работающие в инфракрасной области спектра, пригодные для измерения концентрации многоатомных газов и паров.

Показатель преломления света в среде используется для определения состава жидких и газообразных сред посредством рефрактометров и интерферометров.

Измерение же интенсивности вращения плоскости поляризации света растворами оптически-активных веществ используется для определения их концентрации посредством поляриметров.

Широкое развитие получили методы измерения плотности и состава различных сред, основанные на разнообразном использовании взаимодействия рентгеновского и радиоактивного излучений со средой.

Датчики и измерительные приборы для определения состава и свойств веществ

Комбинированные приборы

В ряде случаев сочетание непосредственного определения физических и физико-химических свойств среды с различного рода вспомогательными операциями, предшествующими измерению, позволяет значительно расширить возможности измерения, повысить избирательность, чувствительность и точность простых методов. Такие приборы мы называем комбинированными.

К вспомогательным операциям можно отнести прежде всего абсорбцию газа жидкостью, конденсацию пара и испарение жидкости, позволяющие при анализе газов использовать методы измерения концентрации жидкости, такие, например, как кондуктометрию, потенциометрию, фотоколориметрию и др., и наоборот, для измерения концентрации жидкостей использовать методы газового анализа: термокондуктометрию, масс-спектрометрию и др.

Одним из наиболее распространенных сорбционных методов является хроматография, представляющая собой комбинированный метод измерения, в котором определению физических свойств испытуемой среды предшествует процесс хроматографического ее разделения на составляющие компоненты. Это упрощает процесс измерения и резко расширяет границы возможностей методов, непосредственного измерения.

Возможность измерения полного состава сложных органических смесей и высокая чувствительность приборов обусловили быстрое развитие в последние годы этого направления в аналитическом приборостроении.

Практическое использование в промышленности находят газовые хроматографы, состоящие из двух основных частей: хроматографической колонки, предназначенной для разделения испытуемой смеси, и детектора, служащего для измерения концентрации разделенных компонентов смеси. Имеется большое разнообразие исполнений газовых хроматографов как по тепловому режиму разделительной колонки, так и по принципу действия детектора.

В хроматографах с изотермическим режимом температура термостата колонки в течение цикла анализа поддерживается постоянной, в хроматографах с программированием температуры последняя изменяется во времени по заранее заданной программе, в хроматографах с термодинамическим режимом в течение цикла анализа изменяется температура различных частей колонки по длине.

В качестве детектора хроматографа может служить в принципе любой прибор для определения физических и физико-химических свойств вещества. Конструктивное его исполнение даже проще, чем других аналитических приборов, поскольку измерению подлежат концентрации уже разделенных компонентов смеси.

В настоящее время широко используются детекторы, основанные на измерении плотности газа, теплопроводности (так называемые «катарометры»), теплового эффекта сгорания продуктов («термохимические»), электропроводности пламени, в которое поступает испытуемая смесь («пламенно-ионизационные»), электропроводности ионизированного посредством радиоактивного излучения газа («ионизационно-аргоновые») и другие.

Будучи весьма универсальным, хроматографический метод дает наибольший эффект при измерении концентрации микропримесей в сложных углеводородных смесях с температурой кипения до 400 - 500° С.

Химические процессы, обеспечивающие приведение среды к параметрам, поддающимся измерению простыми способами, можно использовать почти со всеми методами прямого измерения. Избирательное поглощение жидкостью отдельных компонентов газовой смеси обеспечивает возможность путем измерения объема смеси до и после поглощения измерять концентрацию испытуемых веществ. На этом принципе основано действие объемно-манометрических газоанализаторов.

Широкое распространение получили различные цветные реакции, предшествующие измерению эффекта взаимодействия с веществом светового излучения.

Сюда относится большая группа так называемых ленточных фотоколориметров, в которых измерение концентрации газовых компонентов осуществляется посредством измерения степени потемнения ленты, на которую предварительно нанесено вещество, дающее с испытуемым веществом цветную реакцию. Большое применение этот способ получил для измерения микроконцентраций, в частности, опасных концентраций токсических газов в воздухе производственных помещений.

Цветные реакции используются также в жидкостных фотоколориметрах для повышения их чувствительности, для измерения концентрации бесцветных компонентов в жидкостях и т. п.

Перспективным является измерение интенсивности люминесценции жидкостей, вызванной химическими реакциями. Одним из наиболее распространенных методов аналитической химии является титрование. Метод титрования заключается в измерении физических и физико-химических величин, присущих жидкой среде, которая подвергается воздействию внешних химических или физических факторов.

В момент перехода количественных изменений в качественные (конечная точка титрования) фиксируется затраченное количество вещества или электричества, соответствующее концентрации измеряемого компонента. В принципе это — циклический метод, однако имеются различные его варианты, вплоть до непрерывного. Наибольшее применение в качестве индикаторов конечной точки титрования получили потенциометрические (рН-метрические) и фотоколориметрические датчики.

Арутюнов О. С. Датчики состава и свойств вещества